環(huán)保型煤泥浮選起泡劑的研發(fā)與應(yīng)用

董婷婷，張家軒，康 睿，張晉維

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

礦物顆粒與氣泡的碰撞、黏附以及脫附構(gòu)成了浮選微觀模型中的3個(gè)獨(dú)立過程。在該過程中，產(chǎn)生適量的、大小合適的氣泡是起泡劑在礦物浮選過程中最基本的作用，但同時(shí)起泡劑的種類和用量還影響著礦物顆粒之間的接觸以及泡沫層中是否能促使黏附在氣泡中的疏水性礦粒和親水性礦粒分離等過程[1-3]。因此，起泡劑性能的優(yōu)劣如同捕收劑一樣，將直接影響浮選指標(biāo)。然而，在很長一段時(shí)間內(nèi)，科研工作者將更多的注意力放在捕收劑的研究上，而忽略了對起泡劑的研究；同時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中因捕收劑可供選擇的種類較多，技術(shù)人員也常常忽略起泡劑的作用。長期以來，我國選煤廠所用的煤泥浮選起泡劑大多是化工副產(chǎn)品起泡劑，臨渙選煤廠也是如此。此類煤泥浮選起泡劑技術(shù)含量低、腐蝕性強(qiáng)、氣味刺鼻，會對煤泥浮選車間甚至整個(gè)主廠房的工作環(huán)境造成污染，嚴(yán)重影響到操作工人的身體健康[4-5]。在當(dāng)前大力提倡環(huán)保、綠色發(fā)展的大環(huán)境下，開發(fā)安全、綠色環(huán)保的煤泥浮選劑已成為大勢所趨，也是企業(yè)急需解決的問題之一。

臨渙選煤廠有6種不同煤種(肥煤孫疃礦、肥煤許疃礦、肥煤袁一礦、1/3焦煤臨渙礦、肥煤青東礦、1/3焦煤童亭礦)，礦井原煤煤質(zhì)變化大，且大部分入浮煤樣細(xì)泥含量較高，浮選過程中藥耗較大，因此使用高選擇性的起泡劑才能有效降低高灰細(xì)泥對浮選的影響[6-7]。本研究結(jié)合臨渙選煤廠的煤泥特點(diǎn)，研發(fā)了性價(jià)比較高的、環(huán)保型的KD-1Q煤泥浮選起泡劑。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)試劑與儀器

戊醇(C5H12O)，仲辛醇(C8H18O)，天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司，分析純；參比樣：烷基醇酰胺起泡劑。

單槽浮選機(jī)(XFD1.0-1L)，吉林省探礦機(jī)械廠; 界面張力儀，法國泰克利斯公司；量熱儀，華星能源儀器有限公司。

1.2 KD-1Q型起泡劑的研發(fā)

醇類起泡劑是煤炭浮選常用的一類起泡劑。醇類起泡劑中以戊醇、己醇、庚醇和辛醇(即C5、C6、C7和C8)起泡能力最大。本課題根據(jù)臨渙選煤廠的煤質(zhì)情況，在極性基均為羥基的情況下，優(yōu)化非極性基的長度和結(jié)構(gòu)，選擇了戊醇C5和仲辛醇C8的混合物作為本項(xiàng)目的醇類起泡劑[8]。通過實(shí)驗(yàn)室單因素和均勻浮選試驗(yàn)，比較浮選效果，確定戊醇和仲辛醇的摩爾比為1∶3，利用戊醇和仲辛醇的互溶性質(zhì)攪拌混合成環(huán)保型KD-1Q混合醇類起泡劑。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1表面張力的測定

利用懸滴法測量氣液表面張力，具體過程如下：首先用微量加藥器分別取一定量的KD-1Q或烷基醇酰胺起泡劑，加入盛有100 mL水的燒杯中，配制成質(zhì)量濃度分別為20、30、50、100、200、300 mg/L 的起泡劑待測液，然后用移液管取待測液 10 mL注入儀器的樣品皿中。為了消除溫度對表面張力的影響，減少測試誤差，樣品皿應(yīng)置于恒溫水浴中，保持水浴溫度在 25.5 ℃。然后打開軟件，測出KD-1Q和烷基醇酰胺起泡劑在不同質(zhì)量濃度下的表面張力。

1.3.2泡沫高度的測定

泡沫高度與起泡劑含量的關(guān)系采用氣流法測定。以一定流速的氣體通過玻璃砂濾板，濾板上盛有一定量的測試溶液，于是在有刻度的容器中形成泡沫層。固定氣體的流速，用流動(dòng)平衡時(shí)泡沫的高度h作為起泡能力的量度[9]。試驗(yàn)溫度為20±2℃，空氣流量為0.1 m3/h，調(diào)節(jié)KD-1Q和其他廠家生產(chǎn)的烷基醇酰胺起泡劑在水中的質(zhì)量濃度分別為20、30、40、80、100 mg/L的條件下，觀察泡沫高度與起泡劑含量的關(guān)系。

1.3.3半衰期的測定

測試方法同1.3.2氣流法，試驗(yàn)溫度為20±2℃，空氣流量為0.1 m3/h，用停止充氣后泡沫的高度衰減至一半時(shí)所需要的時(shí)間作為泡沫的半衰期(t)，KD-1Q和烷基醇酰胺起泡劑在水中的質(zhì)量濃度分別為30、40、70、100、150 mg/L的條件下觀察半衰期與起泡劑含量的關(guān)系。

1.3.4潤濕熱的測定

采用混合反應(yīng)量熱儀進(jìn)行潤濕熱的測定。將50 g樣品置于研缽中研磨，過100目篩后，取10 g過篩煤樣裝袋備用。為保證煤樣與液體放出的熱量不受測試溫度的影響，控制測量溫度保持在25℃恒定。每次稱取煤樣120 mg。試驗(yàn)煤樣置于樣品池下室，再取3 mL起泡劑裝入上室作為潤濕液。參比池僅在上室裝入同樣的起泡劑液體。樣品池和參比池放置完畢并等待兩池的熱液平衡后捅破錫箔，此時(shí)上室液體進(jìn)入下室，起泡劑液體與煤樣混合放熱，潤濕熱數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)監(jiān)測。

2 結(jié)果與討論

2.1 KD-1Q型起泡劑的環(huán)保指標(biāo)

根據(jù)青島科標(biāo)檢測研究院有限公司、寧波出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心、深圳市匯立豐檢測技術(shù)有限公司的檢驗(yàn)結(jié)果，混合醇類KD-1Q型起泡劑的部分理化指標(biāo)和職業(yè)健康參數(shù)如表1所示。

由表1的檢測結(jié)果可知，該KD-1Q型起泡劑無刺激性氣味、低毒、對皮膚無腐蝕性，且不含多環(huán)芳烴致癌性成分，符合環(huán)保要求和職業(yè)健康要求。

表1 KD-1Q的理化指標(biāo)和職業(yè)健康參數(shù)Table 1 Physicochemical indexes and occupational health parameters of KD-1Q

2.2 KD-1Q兩相泡沫性質(zhì)檢測試驗(yàn)

為了更好地說明KD-1Q 環(huán)保起泡劑的起泡能力及其在臨渙選煤廠煤泥浮選中的性能，將KD-1Q與其他廠家生產(chǎn)的烷基醇酰胺環(huán)保起泡劑進(jìn)行了對比。兩相泡沫性質(zhì)檢測主要從表面張力與起泡劑含量的關(guān)系、泡沫層高度與起泡劑含量的關(guān)系、半衰期與起泡劑含量的關(guān)系進(jìn)行考察。

2.2.1表面張力與起泡劑含量的關(guān)系

起泡劑的表面張力是評價(jià)起泡劑起泡性能的重要指標(biāo)，表面張力小，起泡性能強(qiáng)。兩類起泡劑的表面張力與其在水中質(zhì)量濃度之間的關(guān)系如圖1所示。由該圖可知，烷基醇酰胺起泡劑的表面張力低于KD-1Q，說明烷基醇酰胺起泡劑的起泡能力強(qiáng)于KD-1Q。

圖1 起泡劑表面張力與質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.1 Relation between surface tension and mass concentration of flothers

2.2.2泡沫高度與起泡劑含量的關(guān)系

兩類起泡劑的泡沫高度與其在水中質(zhì)量濃度之間的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，烷基醇酰胺起泡劑的表面張力小于混合醇，故其泡沫高度大于KD-1Q起泡劑。

圖2 起泡劑的泡沫高度與質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.2 Relation between the foam height and mass concentration of flothers

2.2.3半衰期與起泡劑含量的關(guān)系

兩類起泡劑的半衰期與其在水中質(zhì)量濃度之間的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)起泡劑的質(zhì)量濃度相同時(shí)，KD-1Q起泡劑的半衰期更短，說明KD-1Q起泡劑在浮選機(jī)中形成的泡沫層流動(dòng)性好，刮出的精礦泡沫更脆、更不穩(wěn)定，也有利于過濾。

圖3 起泡劑的半衰期與質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.3 Relation between half-life and mass concentration of flothers

2.3 KD-1Q對煤表面潤濕熱三相泡沫檢測試驗(yàn)

在進(jìn)行起泡劑對煤表面潤濕熱三相泡沫檢測試驗(yàn)時(shí)，同樣是將KD-1Q與烷基醇酰胺環(huán)保起泡劑進(jìn)行對比，兩種起泡劑對不同原煤潤濕熱的測定結(jié)果如表2所示。

表2 兩種起泡劑對不同原煤潤濕熱測定結(jié)果
Table 2 Test results of wetting heat of two flothers on different raw coals

起泡劑潤濕熱/(J·g-1)袁一許疃孫疃青東臨渙童亭KD-1Q1.6641.7751.8211.7921.3871.572烷基醇酰胺1.2111.2241.5741.5581.2161.345

由表2可知，KD-1Q起泡劑對煤樣的潤濕熱均高于烷基醇酰胺起泡劑，說明KD-1Q起泡劑更容易吸附在煤顆粒表面。因此，雖然烷基醇酰胺起泡劑表面張力小于KD-1Q起泡劑，容易形成更豐富、更穩(wěn)定的泡沫層，但對煤顆粒的礦化效果不如混合醇起泡劑，所以其用量要大于KD-1Q起泡劑。

3 工業(yè)試驗(yàn)

3.1 浮選效果

KD-1Q和烷基醇酰胺起泡劑的現(xiàn)場對比試驗(yàn)結(jié)果見表3，其中精煤產(chǎn)率及可燃體回收率的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：η為浮選精煤可燃體回收率；γj為浮選精煤產(chǎn)率；w(Aw)為浮選尾礦灰分，%；w(Aj)為浮選精煤灰分，%；w(A入)為浮選入料分，%。

表3 兩種起泡劑現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Field test data of two flothers

由表3可知，當(dāng)浮選精煤灰分都滿足生產(chǎn)要求(10.5%～11.0%)時(shí)，烷基醇酰胺的30 s藥耗量(47.5 mL)接近KD-1Q藥耗量(21.67 mL)的2倍以上，但烷基醇酰胺的精煤產(chǎn)率和可燃體回收率連KD-1Q的2倍都不到，也就是說要想達(dá)到和KD-1Q相同的浮選效果，烷基醇酰胺的藥耗量更大。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

該選煤廠現(xiàn)場入洗原煤量為410 t/h，KD-1Q起泡劑密度為0.86 g/cm3，烷基醇酰胺起泡劑密度為1.016 9 g/cm3，可計(jì)算出每小時(shí)KD-1Q起泡劑(密度0.86 g/cm3)的用量：

每小時(shí)烷基醇酰胺起泡劑(密度1.016 9 g/cm3)的用量：

KD-1Q起泡劑價(jià)格為7 940元/t(不含稅)，烷基醇酰胺起泡劑價(jià)格為11 947元/t(不含稅)，計(jì)算出使用KD-1Q起泡劑洗選每噸原煤的藥劑成本為：

使用烷基醇酰胺起泡劑洗選每噸原煤的藥劑成本為：

由此可知，本研究研發(fā)的KD-1Q環(huán)保起泡劑相對于其他廠家生產(chǎn)的烷基醇酰胺環(huán)保起泡劑節(jié)約藥劑成本0.507-0.13=0.377元/(h·t)。

4 結(jié)論

1)針對臨渙選煤廠現(xiàn)用的起泡劑存在腐蝕性強(qiáng)、氣味刺鼻、污染環(huán)境、傷害工人健康等問題，研發(fā)了混合醇(KD-1Q)環(huán)保型的煤泥浮選起泡劑?；旌洗几∵x起泡劑除了具有微量刺激性氣味，其他環(huán)保指標(biāo)和職業(yè)健康指標(biāo)均為優(yōu)良。

2)KD-1Q起泡劑表面張力大于其他廠家生產(chǎn)的烷基醇酰胺環(huán)保起泡劑，起泡能力相比烷基醇酰胺環(huán)保起泡劑略差，但其與臨渙選煤廠的6種焦、肥煤樣潤濕熱大于烷基醇酰胺環(huán)保起泡劑，即KD-1Q起泡劑對臨渙選煤廠煤顆粒的礦化效果強(qiáng)于后者，所以KD-1Q起泡劑更適用于臨渙選煤廠煤泥浮選。

3)通過工業(yè)試驗(yàn)分析可知， KD-1Q環(huán)保起泡劑在臨渙選煤廠的應(yīng)用相對于其他廠家生產(chǎn)的烷基醇酰胺環(huán)保起泡劑每小時(shí)每噸節(jié)約藥劑成本0.377元。